拱壩建成前后對(duì)臨近導(dǎo)流洞襯砌的影響研究

摘要：導(dǎo)流洞是在水電站、大壩等建筑物施工期導(dǎo)流排水的隧洞，造價(jià)昂貴且施工復(fù)雜，所以一般后期會(huì)與永久隧洞結(jié)合起來使用，因此需要確保其在各個(gè)時(shí)期的安全穩(wěn)定。通過研究分析拱壩修建前、拱壩修建完工、拱壩壩肩與壩基回填混凝土后、庫區(qū)正常運(yùn)行4種工況下臨近壩體的導(dǎo)流洞附加應(yīng)力的變化，得出了拱壩壩體建設(shè)以及運(yùn)營前后各個(gè)階段對(duì)臨近導(dǎo)流洞襯砌安全穩(wěn)定的影響情況，結(jié)論可以為其他類似工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流洞；拱壩；附加應(yīng)力；襯砌

StudyontheImpactofArchDamontheLiningofAdjacentDiversionTunnelsBeforeandAfterCompletion

ZHAOZhen1LIYuejiao2WANGBo3

1.YanglingVocationalandTechnicalCollege，YanglingCity，ShaanxiProvince，712100China;2.HeiheHuangzangTempleWaterConservancyHubProjectConstructionManagementCenter，LanzhouCity，GansuProvince，730000China;3.Hanjiang-to-WeiheRiverValleyWaterDiversionProjectConstructionCo.，Ltd.，ShaanxiProvince，Xi'anCity，ShaanxiProvince，710100China

Abstract：Diversiontunnelisatunnelfordiversionanddrainageduringtheconstructionperiodofhydropowerstations，damsandotherbuildings. Itisexpensiveandtheconstructioniscomplicated，soitisgenerallyusedincombinationwithpermanenttunnelsinthelaterstage.Soitisnecessarytoensureitssafetyandstabilityinvariousperiods.Throughthestudy，itanalyzesthechangesoftheadditionalstressofthediversiontunnelsadjacenttothedambodyunderfourworkingconditions：beforetheconstructionofthearchdam，afterthecompletionoftheconstructionofthearchdam，afterthebackfillingofconcreteonthearchdamshoulderandfoundation，duringthenormaloperationofthereservoirarea，theimpactoftheconstructionofthearchdambodyandeachstagebeforeandafteroperationonthesafetyandstabilityofadjacentdiversiontunnellininghasbeenobtained.Itprovidesacertainreferencevalueforthedesignandoptimizationofothersimilarprojects.

KeyWords：Diversiontunnel;Archdam;Additionalstress;Lining

導(dǎo)流洞是在河岸山體中開挖的用于施工期泄水的隧洞。我國山區(qū)水利樞紐工程較多，采用隧洞導(dǎo)流較為普遍。但隧洞開挖過程往往施工復(fù)雜且投資較大，所以導(dǎo)流洞一般盡量與永久隧洞相結(jié)合進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)。例如：為減少導(dǎo)流費(fèi)用，節(jié)省工程投資，芒牙河水庫工程采取了導(dǎo)流隧洞與放空發(fā)電隧洞全結(jié)合形式[1]。同樣的，新寨水庫工程結(jié)合實(shí)際情況，將導(dǎo)流洞、放空建筑物、取水建筑物與生態(tài)流量下泄設(shè)施四者進(jìn)行了結(jié)合布置[2]。導(dǎo)流洞作為一種高風(fēng)險(xiǎn)建筑物，若要后期與永久隧洞相結(jié)合使用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和耐久性標(biāo)準(zhǔn)還需要結(jié)合工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃要求適當(dāng)提高[3]，但洞身混凝土襯砌的施工增加了約束，不利于洞室應(yīng)力釋放，易產(chǎn)生裂縫[4]。安全是工程建設(shè)的最重要目標(biāo)[5]，因此，有必要預(yù)先考慮臨近大型建筑物對(duì)導(dǎo)流洞襯砌的影響情況，以確保各個(gè)時(shí)期內(nèi)導(dǎo)流洞的安全穩(wěn)定。

1研究資料

某拱壩水利樞紐工程導(dǎo)流洞位于壩址右岸，在原勘探實(shí)驗(yàn)洞基礎(chǔ)上改建而成，設(shè)計(jì)的導(dǎo)流洞全長(zhǎng)771.545m，其中進(jìn)口引渠段長(zhǎng)60m，洞身段長(zhǎng)607.545m，出口涵洞段長(zhǎng)56m，出口擴(kuò)散段長(zhǎng)38m。洞身為城門洞型，尺寸8m×11m。壩基段導(dǎo)流洞和拱壩建基面的最短垂直距離約為10.5m。

2有限元計(jì)算模型

采用ANSYS軟件進(jìn)行建模。計(jì)算模型包括已開挖導(dǎo)流洞的基礎(chǔ)巖體、導(dǎo)流洞襯砌、拱壩壩體（分為壩肩、壩基未回填混凝土和已回填混凝土兩種情況）。地基底面為全約束，地基上、下游面和左右面為法向約束。整體計(jì)算模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元Solid65模擬，整體計(jì)算模型如圖1所示，壩體及導(dǎo)流洞位置關(guān)系如圖2所示，導(dǎo)流洞襯砌如圖3所示。

3計(jì)算工況及荷載

本文旨在探究臨近大型建筑物對(duì)導(dǎo)流隧洞的影響情況，所以計(jì)算中只需要考慮壩體建成前后對(duì)導(dǎo)流洞襯砌的附加應(yīng)力，因此荷載主要考慮壩體荷載，包括水壓力、溫度荷載、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、壩體自重，不考慮隧洞襯砌的圍巖壓力、構(gòu)造應(yīng)力、襯砌自重和內(nèi)水壓力等[6]。

工況0：拱壩施工前，導(dǎo)流洞未受到拱壩的附加影響，不施加荷載。

工況1：拱壩壩體封頂，施加荷載包括壩體自重。

工況2：拱壩壩肩和壩基回填混凝土后施工完建，施加荷載包括壩體自重。

工況3：水庫正常蓄水位運(yùn)行，施加荷載包括壩體自重、庫區(qū)正常蓄水位上下游靜水壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力。

4計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1拱壩壩體施工前后對(duì)導(dǎo)流洞的影響研究

工況1計(jì)算結(jié)果顯示：導(dǎo)流洞襯砌的附加主拉應(yīng)力位于導(dǎo)流洞靠近壩體部位頂拱，最大值為1.5MPa（圖4）；附加主壓應(yīng)力較小，最大值為2.5MPa（圖5），位于導(dǎo)流洞襯砌靠近壩肩的頂拱。

以上計(jì)算結(jié)果表明：拱壩壩體的修建對(duì)導(dǎo)流洞襯砌的附加應(yīng)力不容忽視，特別是附加拉應(yīng)力。

4.2壩基回填混凝土前后對(duì)導(dǎo)流洞的影響研究

根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，在拱壩計(jì)算模型壩肩上游添加直角邊長(zhǎng)分別為2m、4m的三角形楔形體，壩肩下游添加直角邊長(zhǎng)分別為2.8m、4m的三角形沿楔形體，用來模擬工況2壩肩和壩基回填混凝土后對(duì)導(dǎo)流洞的影響。

工況2計(jì)算結(jié)果顯示：導(dǎo)流洞襯砌的附加主拉應(yīng)力位于導(dǎo)流洞靠近壩體部位頂拱，最大值為1.08MPa（如圖6所示）；附加主壓應(yīng)力較小，最大值為2.84MPa（如圖7所示），位于導(dǎo)流洞襯砌靠近壩體部位的拱底。

將工況2計(jì)算結(jié)果與工況1計(jì)算結(jié)果相比較，可得出：拱壩壩肩和壩基回填混凝土后，拱壩壩體對(duì)導(dǎo)流洞襯砌的附加主拉應(yīng)力值有所減小，但附加主拉力值略微有所增加。

4.3水庫正常運(yùn)行前后對(duì)導(dǎo)流洞的影響研究

工況3計(jì)算結(jié)果顯示：導(dǎo)流洞襯砌附加主拉應(yīng)力位于導(dǎo)流洞頂拱，最大值為1.09MPa（如圖8所示）；附加主壓應(yīng)力最大值為4.45MPa（如圖9所示），位于導(dǎo)流洞近壩肩段側(cè)墻。

將工況3計(jì)算結(jié)果與工況2相比較，可得出：水庫正常的正常運(yùn)行，對(duì)導(dǎo)流洞襯砌附加主拉應(yīng)力影響不大，但會(huì)使附加主壓應(yīng)力增大。

5結(jié)語

本文通過研究分析拱壩修建前、拱壩修建完工、拱壩壩肩與壩基回填混凝土后、庫區(qū)正常運(yùn)行4種工況下臨近壩體的導(dǎo)流洞附加應(yīng)力的變化情況，來分析其對(duì)導(dǎo)流洞的影響程度，得出了以下結(jié)論。

1. 拱壩壩體的修建對(duì)導(dǎo)流洞的安全穩(wěn)定具有不利影響，對(duì)導(dǎo)流洞襯砌產(chǎn)生的附加應(yīng)力不容忽視，特別是附加拉應(yīng)力，因此在導(dǎo)流洞襯砌的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)提前考慮到拱壩產(chǎn)生的影響。
2. 當(dāng)拱壩壩肩和壩基回填混凝土后，拱壩壩體對(duì)導(dǎo)流洞襯砌的附加主拉應(yīng)力值有所減小，減小幅度在20%以上。附加主壓應(yīng)力值有所增加，但增加幅度不大，在10%左右，且主壓應(yīng)力不是控制性應(yīng)力。因此，拱壩壩肩和壩基回填混凝土是有利于導(dǎo)流洞襯砌安全穩(wěn)定的。
3. 水庫正常運(yùn)行前后，對(duì)導(dǎo)流洞襯砌附加主拉應(yīng)力影響不大，但會(huì)使附加主壓應(yīng)力增大，需要進(jìn)行核算。

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